旋挖鉆機二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)能量回收研究

提高作業(yè)系統(tǒng)的重力勢能旋轉(zhuǎn)開挖挖掘機是工程機械中的樁工具，在建筑材料中得到廣泛應(yīng)用。旋挖鉆機工作時鉆桿和鉆具需要反復(fù)循環(huán)升降運動,同時鉆桿、鉆具和鉆具內(nèi)泥土的重量很大,提升作業(yè)行程很長,一般灌注樁的深度有幾十米深,需要消耗很大的發(fā)動機功率,提升作業(yè)時通過卷揚的提升運動轉(zhuǎn)變成為鉆桿和鉆具的重力勢能。而下降作業(yè)時鉆桿和鉆具的重力勢能不能得到很好的吸收和儲存,幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鹨簤河蜏囟壬?給系統(tǒng)的正常運行帶來了很大的影響,同時也帶來了極大的能量浪費。因此,研究鉆桿和鉆具下放的能量回收問題有著重要的意義。1靜液二次調(diào)節(jié)技術(shù)的背景靜液二次調(diào)節(jié)是德國國防工業(yè)大學(xué)H.W.Nikolaus教授于1977年首先提出來的一種主要用于挖掘機回轉(zhuǎn)制動能量回收的液壓傳動系統(tǒng)2帶二次調(diào)節(jié)功能的鉆桿升降系統(tǒng)旋挖鉆機原有的鉆桿升降系統(tǒng)是利用帶平衡閥的閉式系統(tǒng)控制絞車的正反轉(zhuǎn),當(dāng)鉆桿下放時,由于平衡閥的節(jié)流作用使鉆桿下放速度平穩(wěn)。但是由于平衡閥的節(jié)流作用會導(dǎo)致鉆桿下放的重力勢能幾乎全部轉(zhuǎn)化為液壓油的熱能而引起液壓油過熱,對液壓系統(tǒng)的正常運行造成了不利的影響。同時,當(dāng)鉆桿需要再度提升時,鉆桿中由于夾帶了泥土石塊等,重量相對增加,因此需要發(fā)動機帶動主泵向液壓馬達(dá)輸入比下放時鉆桿重力勢能變化更大的能量才能完成一次提升工作。而使用了帶靜液二次調(diào)節(jié)技術(shù)的鉆桿升降系統(tǒng)可有效地避免普通平衡閥系統(tǒng)的缺陷,圖2是帶二次調(diào)節(jié)功能的鉆桿升降系統(tǒng)原理圖。鉆桿下放時通過壓力切斷讓發(fā)動機處于怠速狀態(tài)。鉆桿和鉆具拖動絞車反向運轉(zhuǎn),使二次元件8工作在泵工況向系統(tǒng)輸入液壓油。此時由換向閥12控制插裝閥11讓二次元件輸入的高壓油充入蓄能器中。通過旋轉(zhuǎn)編碼器16將二次元件8的轉(zhuǎn)速反饋給控制器15,控制器發(fā)送指令給伺服閥4,如二次元件轉(zhuǎn)速過高則控制變量液壓缸7增加二次元件的排量,反之則降低排量。這樣就有效地控制了鉆桿的下放速度。若鉆桿超速下放,則可通過換向閥5關(guān)閉插裝閥6切斷油路,保護系統(tǒng)安全。方向閥12和插裝閥11控制壓力油進入蓄能器,制動器19對鉆桿下放起超速保護作用。在鉆桿提升工況的起始階段,方向閥12控制插裝閥11釋放蓄能器內(nèi)的高壓油來驅(qū)動二次元件8,讓其工作在馬達(dá)工況,提升鉆桿和鉆具。隨著蓄能器內(nèi)油壓的降低,鉆桿提升速度將逐漸降低,一旦速度降至設(shè)定速度時,關(guān)閉插裝閥11,通過主泵1向系統(tǒng)供油,使鉆桿繼續(xù)上升到需要的高度。由上述分析可見,該系統(tǒng)可以吸收鉆桿下放時釋放的重力勢能,將其存儲于蓄能器中,在下一階段需要提升鉆桿時釋放蓄能器中的能量。這樣既可以有效地避免帶平衡閥的鉆桿升降系統(tǒng)在工作中所產(chǎn)生的熱量,又可以將重力勢能在鉆桿提升時重新釋放出來,以減少發(fā)動機的負(fù)擔(dān)。由于使用了蓄能器做能量回收與釋放,因此系統(tǒng)壓力會不斷地變化,有必要對控制過程中二次元件的動態(tài)性能做深入的研究。3鉆井壓力過程中的能量回收和釋放分析3.1旋轉(zhuǎn)鉆機配合速度控制的pid控制器根據(jù)圖2所示液壓系統(tǒng)原理圖,利用仿真軟件AMESim建立系統(tǒng)模型如圖3所示。由于二次元件通常工作在恒壓或準(zhǔn)恒壓條件下,因此主軸扭矩的波動比較小,排量的調(diào)節(jié)相對簡單。而本文中的系統(tǒng)油壓不斷變化,主軸扭矩除受油壓變化影響外還受排量變化的影響,因此對于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加了難度?，F(xiàn)基于某型旋挖鉆機鉆桿下放提升時對于速度的要求,采用斜坡和勻速信號作為輸入信號,通過旋轉(zhuǎn)編碼器l6采集二次元件8的轉(zhuǎn)速信號與輸入信號比較,采用基于速度控制的PID控制器對于速度偏差進行快速跟蹤,以控制鉆桿下放提升的時間與速度。以某型旋挖鉆機為例,代入初始參數(shù):系統(tǒng)額定壓力p為35MPa;蓄能器容積V減速箱傳動比i為128.6;減速箱效率η二次元件最大排量q為160ml/r;二次元件容積效率η二次元件機械效率η主卷筒直徑D:708mm;下放時鉆桿質(zhì)量M提升時鉆桿質(zhì)量M蓄能器最低壓力p其中,T為鉆桿重力在主卷揚上產(chǎn)生的扭矩蓄能器的充氣壓力p由于蓄能器充氣壓力p3.2鉆桿沉降過程中的能量回收和分析3.2.1次元件速度調(diào)整仿真參見圖3,同時代入3.1中的參數(shù)對系統(tǒng)進行仿真,得到結(jié)果如圖4、5、6所示。鉆桿下放過程如圖4、5所示,經(jīng)過排量的調(diào)整,二次元件按指令速度1280r/min運行。由仿真結(jié)果可知,實際下降距離34.99m,下放過程中速度變化穩(wěn)定。如圖6所示,重物開始下放時蓄能器油腔的初始壓力為12.38MPa,隨著鉆桿的下放,蓄能器內(nèi)油壓不斷升高,其最高工作壓力p3.2.2鉆桿放電充放電能量回收數(shù)值液壓蓄能器內(nèi)的氣體為惰性氣體(氮氣),通常認(rèn)為它的性質(zhì)與理想氣體相近。根據(jù)波義耳定律式中,p現(xiàn)通過對蓄能器最高工作壓力時氣囊體積V式(2)中,E式(3)就是初始充氣壓力為p鉆桿下放的重力勢能變化為:所以鉆桿下放時蓄能器能量回收率η可見,采用二次調(diào)節(jié)技術(shù)可以對鉆桿下放過程中重力勢能進行有效的回收。但考慮到換向閥和油管的壓力損失,實際使用中蓄能器能量回收率不會有86.4%這么高。3.3在鉆桿提升過程中，蓄能器的能量釋放分析3.3.1速度波動參見圖3,代入3.1中的基本參數(shù)對該系統(tǒng)進行仿真,結(jié)果如圖7、8、9所示。對于鉆桿提升過程,從圖7、8可知,經(jīng)過馬達(dá)排量的調(diào)節(jié),二次元件按指令速度1000r/min運行時,由仿真結(jié)果可知,實際提升距離為22.91m(見圖7),提升過程中速度變化平穩(wěn)。如圖9所示,鉆桿提升開始時蓄能器油壓為34.62MPa,隨著鉆桿提升的進行,蓄能器內(nèi)油壓逐漸降低,壓力降低量為20.1MPa,可得其最終壓力為14.5MPa。3.3.2鉆桿提升過程能量釋放數(shù)值計算根據(jù)圖7的仿真結(jié)果,鉆桿提升了22.91m,因此鉆桿提升過程中的重力勢能增加量為:根據(jù)3.2.2計算結(jié)果,鉆桿提升之前蓄能器存儲的能量為:因此鉆桿提升過程中能量釋放率η由此可見,利用二次調(diào)節(jié)技術(shù)還可以有效地利用蓄能器所存儲的壓力能?？紤]到換向閥和油管的壓力損失,實際使用中的蓄能器能量釋放率會略低于88.39%。4次調(diào)節(jié)能量回收與釋放系統(tǒng)可行性分析1)本文提出了由二次調(diào)節(jié)元件和蓄能器組成的旋挖鉆機鉆桿下放和提升能量回收和釋放系統(tǒng),為工程機械的節(jié)能減排提出了新的思路。2)以某型旋挖鉆機主參數(shù)為基本數(shù)據(jù),利用AMESim搭建系統(tǒng)模型并且在盡可能模擬現(xiàn)場各工況的情形下進行了仿真,從仿真結(jié)果可以看出,此二次調(diào)節(jié)能量回收與釋放系統(tǒng)可行。分析顯示,利用二次調(diào)節(jié)元件搭建的旋挖鉆機主卷揚升降系統(tǒng)其工作性能,如工作時間,工作轉(zhuǎn)速,穩(wěn)定性,響應(yīng)速度等基本符合原有機型的要求。3)針對二次調(diào)節(jié)的特點選用了基于